Teil II; Gesunde und sichere Nahrung
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Nützliche und Effektive Mikroorganismen für eine dauerhafte Landwirtschaft und eine gesunde Umwelt
von Prof. Dr. Teruo Higa und Dr. James F. Parr übersetzt von Frits D. van den Ham & Ulrike Hader Nützliche und Effektive Mikroorganismen für eine dauerhafte Landwirtschaft und eine gesunde Umwelt von
Dr. Teruo Higa Professor für Pflanzenbau an der Universität Ryukyus Okinawa, Japan
& Dr. James F. Parr Bodenmikrobiologe Agricultural Research Service U.S. Department of Agriculture Beltsville, Maryland, USA
Das Konzept der Effektiven Mikroorganismen wurde von Prof. Higa entwickelt. EM besteht aus gemischten Kulturen von nützlichen und in der Natur vorkommenden Mikroorganismen, die als Impfung angewendet werden, um die mikrobielle Vielfalt von Böden und Pflanzen zu steigern. Forschungen haben gezeigt, daß die Impfungen des Boden / Pflanzensystems mit EM, Bodenqualität und -gesundheit sowie Wachstum, Ertrag und Qualität der Feldfrüchte steigern kann. EM enthält ausgewählte Arten von Mikroorganismen, vorherrschend Populationen von Milchsäurebakterien und Hefen, eine kleinere Anzahl von photosynthetischen Bakterien, Aktinomyzeten und andere Arten von Organismen. Alle diese Arten arbeiten auf Gegenseitigkeit und können in flüssiger Kultur nebeneinander leben. EM ist kein Ersatz für andere Praktiken. Es ist eine weitere Dimension, um die Praktiken der alternativen Landwirtschaft zu optimieren. EM kann die nützlichen Effekte dieser Praktiken steigern, wenn es richtig angewendet wird. Im folgenden Bericht werden wir mit dem Ausdruck „nütz-liche Mikroorganismen" allgemein eine große Gruppe oft unbekannter oder falsch bezeichneter Mikroorganismen benennen, die in Boden und Pflanzen hervorragend miteinander wirken und manchmal schwer vorhersehbare nützliche Effekte erreichen. Der Ausdruck „Effektive Mikroorganismen" oder EM wird benutzt, um eine bestimmte Mischkultur von bekannten, nützlichen Mikroorganismen zu bezeichnen, die als mikrobische Impfung angewendet werden.
Die Gestaltung des Konzeptes ist wichtig für die Entwicklung neuer Technologien zum Gebrauch nützlicher und effektiver Mikroorganismen für eine vertretbare Landwirtschaft und Umwelt. Man muß zunächst als Konzeptgrundlage ein ideales Modell und dann zur Entwicklung einer Strategie die Realität erreichen. Es ist sehr wichtig, das Material, die Umgebung und die Methoden sehr sorgfältig zu koordinieren. Mehr noch, man sollte eine philosophische Seite einbeziehen. Es gibt viele Meinungen darüber, was ein ideales landwirtschaftliches System ist. Viele stimmen zu, daß ein idealistisches System Nahrung auf einer über langen Zeitraum vertretbaren Basis produzieren soll. Viele meinen, daß es außerdem menschliche Gesundheit erhalten, wirtschaftlich und umwelttechnisch nützlich für Hersteller und Verbraucher sein sollte, die Umwelt bewahren und schützen, sich selbst fortführen und regenerieren und genug Nahrung für die wachsende Weltbevölkerung liefern sollte.
Landwirtschaftliche Produktion beginnt mit der Photosynthese durch Grünpflanzen, die Sonnenenergie, Wasser und Kohlendioxyd erfordert. Sie beruht auf der Fähigkeit der Pflanze, mit Hilfe der Sonnenenergie atmosphärisches Kohlendioxyd in Kohlenhydrate umzuwandeln. Die aufgenommene Energie wird weiter für die Biosynthese innerhalb der Pflanze genutzt, einschließlich essentieller Aminosäuren und Proteine. Die für die landwirtschaftliche Produktion genutzten Materialien sind leicht verfügbar und billig. Wenn man das Festhalten von Kohlendioxyd durch die Photosynthese als wirtschaftliche Aktivität betrachtet, ist die Effizienz aufgrund der niedrigen Nutzungsrate der Sonnenenergie durch Grünpflanzen gering. Daher ist ein integrierter Versuch nötig, um die Nutzungsrate der Sonnenenergie bei Pflanzen zu steigern, so daß größere Mengen Kohlendioxyd in nutzbare Substanzen umgewandelt werden können. Obwohl die mögliche Nutzungsrate für Sonnenenergie bei Pflanzen theoretisch auf 10 - 20 % geschätzt wird, beträgt die normale Rate weniger als 1 %. Sogar einige C4-Pflanzen wie Zuckerrohr mit einer sehr hohen Nutzungsrate, erreichen während der stärksten Wachstumsperiode selten 6 - 7 %. Die Nutzungsrate beträgt sogar für optimale Feldfruchtsorten normalerweise weniger als 3 %. Ältere Studien haben gezeigt, daß der Photosynthese-Effekt der Chloroplasten von Fruchtpflanzen nicht weiter gesteigert werden kann; das heißt, daß die Produktion ihrer Biomasse den Höchststand erreicht hat. Daher besteht die beste Möglichkeit, die Produktion der Biomasse zu steigern darin, das sichtbare Licht, das Chloroplasten nicht brauchen, und die Infrarot-Strahlung irgendwie zu nutzen; zusammen machen sie ca. 80 % der Sonnenenergie aus. Weiterhin müssen wir Wege finden, um die in Pflanzen und tierischem Mist enthaltene organische Energie zurückzugewinnen. Aus diesem Grund ist es schwierig, die bestehenden Grenzen in der Pflanzenproduktion zu überschreiten, solange nicht die Nutzung der Sonnenenergie gesteigert wird und die in den bestehenden organischen Molekülen (Pep-tiden, Aminosäuren und Kohlenhydraten) enthaltene Energie weder direkt noch indirekt durch die Pflanze genutzt wird. Dieses Ziel könnte helfen, die Probleme der Umweltverschmutzung zu lösen, die durch übermäßigen Einsatz und Mißbrauch von chemischen Düngemitteln und Pestiziden entstanden sind. Neue Technologien, die die wirtschaftliche Überlebensfähigkeit der landwirtschaftlichen Systeme mit geringem oder ohne Einsatz von chemischen Düngern und Pestiziden sichern, werden dringend gebraucht und sollten in der landwirtschaftlichen Forschung jetzt und in der nächsten Zukunft allerhöchste Priorität haben.
Die übermäßige Erosion der obersten Bodenschicht des Nutzlandes hat durch intensive Bebauung eine Verschlechterung der Böden und die Verschmutzung von Oberflächen- und Grundwasser verursacht. Organische Rückstände der Tierproduktion, Landwirtschaft, Meerwirtschaft, Industrie und der Bevölkerung sind in entwickelten und nichtentwickelten Ländern Grund für die Umweltverschmutzung. Weiterhin führt der Ausstoß von Methan und Kohlendioxyd zum Treibhauseffekt. Konventionelle Landwirtschaft mit hohem chemischen Einsatz führt also zu einer Verschlechterung der Umwelt und zum Abbau unserer natürlichen Ressourcen. Diese Situation würde sich gründlich ändern, wenn in der landwirtschaftlichen Produktion Emissionen als Ausgangsstoffe verwendet würden. Es ist daher notwendig, daß zukünftige landwirtschaftliche Technologien im Einklang mit dem Ökosystem der Natur stehen und Lösungen auch für solche Bereiche bieten, in denen die Landwirtschaft anders als nach dem konventionellen System arbeitet. Der Bereich der hiernach die größten Aussichten hat, ist die Impfung von Böden, Pflanzen und Umwelt mit nützlichen und effektiven Mikroorganismen.
Landwirtschaft ist keine Unternehmung, die der Natur ihren freien Lauf läßt. Sie ist menschliche Aktivität, mit der der Landwirt versucht, verschiedene landwirtschaftliche Faktoren und Produktionsgrundlagen zur optimalen Pflanzen- und Tierproduktion zu koordinieren. Daher ist es vernünftig, vorauszusetzen, daß sich Landwirte für die effektiven Mikroorganismen im Boden, als einem wichtigen Teil der landwirtschaftlichen Umgebung interessieren sollten. Trotzdem wurde diese Idee oft von Naturschützern und Befürwortern der alternativen Landwirtschaft abgelehnt. Sie argumentieren, daß nützliche Mikroorganismen im Boden auf natürliche Weise zunehmen, wenn dem Boden organische Verbesserungen wie Kohle, Energie und Nährstoffe zugeführt werden. Dies mag vor allem auf kleinen Betrieben, wo organisches Material zur Wiedergewinnung fehlt, stimmen. In den meisten Fällen wurden nützliche Bodenmikroorganismen festgestellt, wenn in verschiedenen landwirtschaftlichen Zonen Feldfrüchte in der richtigen Reihenfolge nacheinander ohne den Einsatz von Pestiziden angebaut wurden. Dies erklärt, warum Wissenschaftler lange am Impfen der Böden mit Mikroorganismen interessiert waren, um das mikrobiologische Gleichgewicht dahin zu bringen, daß Bodenqualität, Ertrag und Fruchtqualität verbessert würden. Die meisten würden zustimmen, daß es eine Grundregel der Landwirtschaft ist, sicherzustellen, daß dem Klima und der Umwelt angepaßte Arten und Sorten angebaut werden. In vielen Fällen ist jedoch aus marktwirtschaftlicher Hinsicht eine Nutzung des Bodens bis zur Ausschöpfung notwendig. Das Ziel bei der Züchtung von Fruchtsorten ist, die Produktion, den Schutz und die Qualität der Frucht sicherzustellen. Das machte es möglich, in Gegenden Früchte anzubauen, in denen dies vorher nicht möglich war, was deutlich zur Sicherung der Ernährung in vielen Ländern beiträgt. Daher ist es irgendwie ironisch, daß diese neuen Fruchtarten fast nie auf ihren Nährstoffgehalt und auf ihre Bioverfügbarkeit hin ausgesucht wurden. Um das Konzept zur Kontrolle und Nutzbarmachung der nützlichen Mikroorganismen für die Produktion und den Schutz zu fördern, muß man die grundlegenden Bestandteile für Pflanzenwachstum und Ertrag einschließlich Licht (Intensität, Qualität, Photoperiode), Kohlendioxyd, Wasser, Nährstoffe (organisch/ anorganisch), Bodentyp und Mikroflora harmonisch zusammenfügen. Aufgrund dieser lebenswichtigen Beziehungen auf Gegenseitigkeit ist es möglich, eine neue Technologie und ein energieeffizientes System der biologischen Produktion vorauszusehen.
Wie wir später besprechen werden, sind Wachstum und Entwicklung der Frucht stark von der Natur der Mikroflora des Bodens, besonders von jener in Wurzelnähe (Rhizos-phäre), abhängig. Daher wird es schwierig sein, die Grenzen der konventionellen Landwirtschaft ohne die Kontrolle der im Boden lebenden Mikroorganismen zu überwinden. Dieser besondere Lehrsatz wird weiterhin dadurch verstärkt, daß jedes einzelne Lebewesen der Erde und seine Umgebung durch Mikroorganismen unterstützt wird. Die meisten biologischen Aktivitäten werden durch den Zustand dieser unsichtbaren, kleinsten Lebewesen beeinflußt. Um die Nahrungsmittelproduktion bedeutend zu steigern, ist es daher von grundlegender Wichtigkeit, Fruchtsorten mit verbesserten genetischen Voraussetzungen (zB größeres Ertragspotential, höhere Widerstandsfähigkeit gegen Krankheiten, höherer Nährstoffgehalt) und besserer Anpassung an die vorhandenen Umweltbedingungen, besonders unter Streßbedingungen (zB geringer Niederschlag, hohe Temperaturen, Nährstoffmangel, aggressives Unkraut) zu entwickeln. Eine niedrige Effizienz der landwirtschaftlichen Produktion läßt auf eine schlechte Koordination der Energieumwandlung schließen, die ihrerseits wieder durch pflanzenphysiologische Faktoren, die Umgebung und andere biologische Faktoren einschließlich der Bodenorganismen beeinflußt wird. Die Mikroflora des Bodens und der Rhizosphäre kann das Wachstum der Pflanzen steigern und ihre Widerstandskraft gegen Krankheiten und Parasiten durch das Produzieren von bioaktiven Substanzen erhöhen. Diese Mikroorganismen bilden die Wachstumsumgebung der Pflanzen und haben in erster Linie Auswirkungen auf Boden- und Fruchtqualität. Daher gibt es ein wachsendes Einverständnis, daß es möglich ist, höchst wirtschaftliche Fruchterträge von hoher Qualität und ohne den Einsatz von chemischem Dünger und Pestiziden zu erreichen. Bis jetzt war das mit den Methoden der konventionellen Landwirtschaft sehr unwahrscheinlich. Es ist jedenfalls wichtig zu erkennen, daß der beste Boden und die besten Anbaumethoden zur Erreichung einer vertretbaren Landwirtschaft auch die Zahl, das Wachstum und die Aktivität der nützlichen Mikroorganismen fördert und daher das Wachstum, die Erträge und die Qualität der Frucht steigern kann. Zusammengefaßt ist also die Bodenqualität die wichtigste Grundlage für eine besser vertretbare Landwirtschaft.
Der Mißbrauch und übermäßige Gebrauch von chemischen Düngemitteln und Pestiziden haben die Umwelt oft gegenteilig beeinflußt und daher viele Probleme verursacht, die zusammenhängen mit a) Nahrungssicherheit und -qualität und b) menschlicher und tierischer Gesundheit. Darüber hat sich bei vielen Verbrauchern und Naturschützern ein wachsendes Interesse für natürliche und organische Landwirtschaft und mögliche Alternativen zur konventionellen Landwirtschaft entwickelt. Landwirtschaftliche Systeme, die mit der Natur in Einklang stehen, erfahren nun in entwickelten und nichtentwickelten Ländern große Aufmerksamkeit. Es wurden eine Anzahl Bücher und Zeitschriften veröffentlicht, die viele Gesichtspunkte der natürlichen Landwirtschaft abhandeln. Neue Konzepte wie alternative Landwirtschaft, vertretbare Landwirtschaft, Bodenqualität, integriertes Seuchenmanagement, integriertes Nährstoffmanagement und eben nützliche Mikroorganismen werden durch die landwirtschaftliche Forschung erprobt. Obwohl diese Konzepte und die damit verbundenen Methoden erfüllbare Versprechen bieten, haben sie doch ihre Grenzen. Zum Beispiel liegen die hauptsächlichen Grenzen der Impfung mit Mikroorganismen in der Wiederholbarkeit und dem Mangel an beständigen Ergebnissen. Unglücklicherweise wurden einige der mikrobiellen Kulturen von ihren Anbietern als wirkungsvoll für die Kontrolle eines weiten Bereiches von Pflanzenkrankheiten beworben, obwohl sie nur unter ganz speziellen Bedingungen und nur bei speziellen Pathogenen effektiv wirkten. Einige Lieferanten deuteten an, daß ihr besonderes mikrobielles Serum mit einem Pestizid verwandt wäre, das die gemeinen Bodenorganismen unterdrückt, während es das Wachstum eines nützlichen Mikroorganismus steigert. Es wurden viele Möglichkeiten dieser Impfungen mit Einzelkultur-Mikroben sehr übertrieben und sie wurden nicht unter Feldbedingungen auf ihre Effektivität überprüft. Man könnte spekulieren, daß, wenn alle am Markt verfügbaren mikrobiellen Kulturen und Impfungen zur gleichen Zeit ausgebracht würden, irgendein Erfolg und Stabilität zu erzielen wäre, und zwar aufgrund der dann eintretenden Artenvielfalt, die mit gemischten Kulturen in Verbindung gebracht wird. Während dies ein hypothetisches Beispiel ist, bleibt die Tatsache bestehen, daß die Wahrscheinlichkeit der Kontrolle der Bodenflora durch die Einbringung von gemischten Kulturen oder miteinander arbeitenden Mikroorganismen höher ist, als durch die Ausbringung einzelner reiner Kulturen. Der Gebrauch gemischter Kul-turen wurde in dieser Hinsicht kritisiert, weil es schwierig ist, schlüssig zu demonstrieren, welche Mikroorganismen für welche der beobachteten Effekte verantwortlich sind, wie die vorgestellten Mikroorganismen mit den einheimischen zusammenarbeiten und wie diese neue Zusammensetzung auf die Boden/Pflanzenumgebung wirkt. Daher hat der Gebrauch gemischter Kulturen von nützlichen Mikroorganismen als Bodenimpfung zur Steigerung von Wachstum, Gesundheit, Ertrag und Fruchtqualität noch keine weitverbreitete Anerkennung bei der landwirtschaftlichen Forschung gefunden, weil der schlüssige wissenschaftliche Beweis oft fehlt. Der Gebrauch gemischter Kulturen von nützlichen Mikroorganismen als Bodenimpfung beruht auf den Prinzipien des natürlichen Ökosystems, die durch seine Bestandteile gestützt werden, d.h. auf hohe Qualität und Quantität ihrer Bewohner und spezifische Parameter (wie zB je größer die Vielfalt und Menge der Einwohner, desto größer ist ihre Zusammenarbeit und desto stabiler das Ökosystem). Die Methode der gemischten Kulturen ist nur ein Fortschritt in der Leistung, diese Prinzipien in natürliche Systeme wie zB landwirtschaftliche Böden, weiterzugeben und das Gleichgewicht der Mikroorganismen zum Vorteil der Steigerung von Pflanzenwachstum, Pflanzenproduktion und Pflanzenschutz zu verschieben. Es ist wichtig, zu erkennen, daß Böden, abhängig von ihrem Typ und der Zahl der Mikroorganismen, sehr unterschiedlich sein können. Die Mikroorganismen können für Pflanzen beides sein, nützlich und schädlich und oft ist das Überwiegen einer einzelnen Art abhängig von den Kultur- und Bearbeitungsmaßnahmen, die durchgeführt werden. Es sollte ebenfalls betont werden, daß die höchst fruchtbaren und produktiven Böden einen hohen Anteil an organischem Material und generell Populationen von höchst verschiedenen Mikroorganismen (zB verschiedene Arten und genetische Andersartigkeit) enthalten. Solche Böden haben normalerweise ein weites Verhältnis von nützlichen zu schädlichen Mikroorganismen.
Die Idee, die Bodenmikroflora durch den Gebrauch von Impfungen, organischen Beigaben, Kultur- und Bearbeitungsmethoden für eine optimale Pflanzenproduktion und deren Schutz zu kontrollieren und zu manipulieren ist nicht neu. Seit fast einem Jahrhundert wissen Mikrobiologen, daß organischer Abfall, Pflanzenrückstände, Gründünger und Abfall aus Privathaushalten (roh und kompostiert) ihre eigenen verschiedenen Populationen von Mikroorganismen mit oft breiten physikalischen Fähigkeiten enthalten. Es ist ebenfalls bekannt, daß, wenn solche organischen Abfälle und Rückstände den Böden beigegeben werden, viele der eingebrachten Mikroorganismen als biologisch wirkende Kräfte und durch ihre gemeinsamen oder entgegengesetzten Aktivitäten als Kontrolle oder Unterdrückung von im Boden entstandenen Pflanzenpathogenen arbeiten können. Während dies die theoretische Basis zur Kontrolle der Bodenmikroflora ist, waren in der Praxis die Resultate unvorhersehbar und uneinheitlich, und die Rolle spezifischer Mikroorganismen wurde nicht zufriedenstellend beschrieben. Seit vielen Jahren haben Mikrobiologen versucht, nützliche Mikroorganismen für den Gebrauch von Bodenimpfungen zu nutzen, um die schädlichen Effekte photopathogener Organismen einschließlich Bakterien, Pilze und Nematoden zu überwinden. Diese Versuche wurden normalerweise mit einzelnen Beigaben von reinen Kulturen von Mikroorganismen durchgeführt und waren aus mehreren Gründen nicht erfolgreich. Erstens ist es notwendig, das individuelle Wachstum und die individuelle Lebensstrategie jedes einzelnen nützlichen Mikroorganismus, einschließlich seiner Ansprüche an Nährstoffe und Umwelt vollständig zu verstehen. Zweitens mußten wir ihre ökologischen Beziehungen und Wechselwirkungen mit anderen Mikroorganismen, einschließlich ihrer Fähigkeit, in gemischten Kulturen vor und nach der Impfung zu überleben, verstehen. Es gibt andere Probleme und Zwänge, die große Hindernisse bei der Kontrolle landwirtschaftlicher Böden waren. An erster Stelle die große Arten- und Typenzahl der Mikroorganismen, die jederzeit präsent sind, der große Bereich ihrer physikalischen Fähigkeiten und die dramatischen Änderungen in ihren Populationen, die durch menschliche Kultur und Bearbeitungsweise innerhalb eines bestimmten landwirtschaftlichen Systems eintreten können. Die Vielfalt der gesamten Bodenmikroflora hängt von der Natur der Umgebung und den Faktoren, die Wachstum und Aktivität jedes einzelnen Organismus beeinflussen, einschließlich Temperatur, Licht, Belüftung, Nährstoffe, organische Stoffe, PH-Wert und Wasser ab. Während es viele Mikroorganismen gibt, die diesen Faktoren oder einer Kombination von ihnen gut entsprechen, tun dies einige nicht. Mikrobiologen haben bis jetzt erst einige wenige Mikroorganismen studiert, die in den meisten landwirtschaftlichen Böden leben, hauptsächlich, weil man nicht weiß, wie man sie kultivieren kann; wir wissen zB sehr wenig über ihr Wachstum, ihren Bedarf an Nährstoffen und ihre ökologischen Bedingungen. Die Faktoren Vielseitigkeit und Population haben Wissenschaftler dazu gebracht, statt die Forschung weiterzuführen, zunächst Kontrollstrategien zu entwickeln. Viele glauben, daß, wenn nützliche Mikroorganismen kultiviert und in Böden eingeimpft werden, ihre Zahl gegenüber den einheimischen Bodenbewohnern relativ klein ist und sie von ihnen schnell überwältigt werden. Folgerichtig würden viele argumentieren, daß wenn die Gabe von nützlichen Mikroorganismen unter begrenzten Bedingungen erfolgreich ist (zB im Labor), es eigentlich unmöglich ist, die gleichen Erfolge unter Feldbedingungen zu erzielen. Dieses Denken existiert heute noch. Es ist bemerkenswert, daß die meisten der in jedem Boden vorkommenden Mikroorganismen harmlos für Pflanzen sind, außer einigen wenigen, die als Pflanzenpathogene oder mögliche Pathogene wirken. Schädliche Mikroorganismen werden vorherrschend sein, wenn die Bedingungen für ihr Wachstum, ihre Aktivität und Vermehrung gut sind. Unter solchen Bedingungen vermehren sich diese schädlichen Mikroorganismen, sodaß es zu verheerenden Effekten an der Frucht kommt. Ändern sich diese Bedingungen, schrumpft die Pathogen-Population genauso schnell wieder auf ihr normales Maß. Konventionelle landwirtschaftliche Methoden mit der Tendenz, immer dieselbe Frucht anzubauen, benötigen einen hohen Einsatz von chemischen Düngemitteln und Pestiziden. Dies steigert jedoch gleichzeitig die Wahrscheinlichkeit, daß schädliche, Krankheiten verursachende Pflanzenpathogene in den Böden die Oberhand gewinnen. Konventionelle
Landwirtschaft auf der Basis von Chemie ist dem Behandeln von Symptomen
nicht unähnlich. Beispiele hierfür sind das Ausbringen von Dünger, wenn
die Pflanzen Nährstoffmangel zeigen, und der Einsatz von Pestiziden,
sobald die Frucht von Krankheiten oder Insekten befallen wird. In
Hinblick auf die Kontrolle der Mikroorganismen meinen manche
Wissenschaftler, daß die Einbringung nützlicher Mikroorganismen einer
symptomatischen Methode folgen sollte. Um ihren Einsatz zu fördern, kann es erforderlich sein, daß der Landwirt Änderungen seiner Kultur- und Bearbeitungsmethoden durchführt, um Bedingungen zu erzielen, die: a) das Wachstum und Überleben der einge impften Mikroorganis- men erlauben und b) das Wachstum und die Aktivität der Pflanzenpa- thogene unterdrückt. An dieser Stelle ist ein Beispiel nötig, das zeigt, wie wichtig die Kontrolle der Bodenmikroflora ist und wie bestimmte Kultur- und Bearbeitungsmethoden diese Kontrolle erleichtern. Gemüsezüchtungen werden oft nach ihrer Möglichkeit ausgewählt, innerhalb eines großen Temperaturbereiches zu gedeihen und zu produzieren. Bei kühlen Temperaturen gibt es im allgemeinen wenig Parasiten- und Krankheitsprobleme. Sobald jedoch heißes Wetter einsetzt, steigt die Gefährdung durch Krankheiten und Insekten, sodaß es schwierig ist, ohne den Einsatz von Pestiziden akzeptable Erträge zu erzielen. Mit höheren Temperaturen steigern sich die mikrobiellen Populationen und bestimmte Pflanzenpathogene wie Fusarien, die zu den am häufigsten vorkommenden fäulniserregenden Pilzen im Boden zählen. Ihre Häufigkeit und zerstörende Aktivität kann größtenteils durch die Anwendung reduzierter Bearbeitungsmethoden und durch Schattierung des Bodens bei heißem Wetter minimiert werden. Eine andere Möglichkeit ist die Impfung des Bodens mit nützlichen, Pathogenen entgegen wirkenden, antibiotikaproduzierenden Mikroorganismen, zB Aktino-myzeten und bestimmten Pilzen.
Viele Mikrobiologen glauben, daß die Zahl der im Boden lebenden Mikroorganismen durch die Beigabe von organischem Material gesteigert werden kann. Dies ist im allgemeinen richtig, da die meisten Bodenorganismen heterotroph sind, d.h. sie benötigen komplexe organische Moleküle von Kohlenstoff und Stickstoff für ihren Stoffwechsel und ihre Biosynthese. Ob das normale Einbringen von organischen Abfällen und Rückständen die Zahl der nützlichen Mikroorganismen in kurzer Zeit steigert, ist fraglich. Wir wissen jedoch, daß die hohe Einbringung an organischem Material wie Seegras, Fischmehl und Chitin aus zerstoßenen Krabbenpanzern nicht nur hilft, das Gleichgewicht der Mikronährstoffe zu halten, sondern auch die Population von nützlichen antibiotikaproduzierenden Aktinomyzeten steigert. Dies kann den Boden in relativ kurzer Zeit in einen krankheitsunterdrückenden Zustand umformen. Die Wahrscheinlichkeit, daß ein bestimmter nützlicher Mikroorganismus auch durch organische oder natürliche Landwirtschaft die Vorherrschaft erreicht, hängt vom Ökosystem und den Umgebungsbedingungen ab. Es kann mehrere Jahrhunderte dauern, bis verschiedene Arten höherer und niedriger Pflanzen zusammenarbeiten und ein feststellbares, stabiles Ökosystem entwickeln. Sogar wenn die Population eines bestimmten Mikroorganismus durch Kultur- und Bearbeitungsmethoden gesteigert wird, ist sein Nutzen für die Pflanzen fraglich. Daher ist es nahezu unmöglich vorauszusagen, ob ein nützlicher Mikroorganismus unter landwirtschaftlichen Bedingungen die Vorherrschaft erreichen wird. Weiterhin ist es sehr unwahrscheinlich, daß sich die Population der nützlichen anaeroben Mikroorganismen, die normalerweise nur einen geringen Teil der Mikroflora ausmachen, unter landwirtschaftlichen Bedingungen bedeutend steigern ließe. Daher ist die Notwendigkeit klar, Methoden zur Isolierung und Auswahl verschiedener Mikroorganismen auf ihre nützlichen Effekte zu finden. Das höchste Ziel ist es, Mikroorganismen auszuwählen, die physiologisch und ökologisch miteinander arbeiten und die als gemischte Kulturen in Böden eingebracht werden können, wo sie ihre nützlichen Wirkungen entfalten.
Mikroorganismen werden in der Landwirtschaft für verschiedene Zwecke eingesetzt, als wichtige Bestandteile von organischen Beigaben und Kompost, als Leguminosen zur biologischen Fixierung von Stickstoff, als Unterdrücker von Insekten und Pflanzenkrankheiten, um Fruchtqualität und -ertrag zu sichern und zur Verminderung des Arbeitsaufwandes. Sie sind alle nahe miteinander verwandt. Eine wichtige Feststellung bei der Anwendung von nützlichen Mikroorganismen in Böden sind ihre synergetischen Wirkungen. Dies ist schwierig zu erreichen, wenn diese Mikroorganismen angewendet werden, um bestimmte Symptome zu therapieren, wie im Fall von chemischen Düngemitteln und Pestiziden. Wenn Kulturen nützlicher Mikroorganismen nach der Impfung im Boden effektiv wirken sollen, ist es wichtig, daß ihre Anfangspopulation auf einem bestimmten kritischen Niveau ist. Das hilft sicherzustellen, daß die Menge der bioaktiven Substanzen, die von ihnen produziert werden, ausreichend ist, um die erwünschten Wirkungen zu erzielen. Wenn diese Bedingungen nicht stimmen, wird die Impfung mit Mikroorganismen, so nützlich sie auch sein mögen, wenig oder gar keinen Erfolg haben. Zur Zeit gibt es keine chemischen Tests, die die Wahrscheinlichkeit eines einzelnen Bodenmikroorganismus, die gewünschte Wirkung zu erzielen, messen können. Die erfolgversprechendste Methode ist es, den Boden mit einer gemischten Kultur zu impfen und mit einer großen Vielseitigkeit des Serums die Wahrscheinlichkeit der Annahme der Umwelt- und Ökologiebedingungen zu erhöhen. Die Impfung der Böden mit nützlichen Mikroorganismen kann helfen, Struktur und Zustand des natürlichen Ökosystems festzustellen. Je höher die Zahl der kultivierten Pflanzenarten und je komplexer der chemische Zustand der Biomasse, desto höher die Vielfalt der Bodenmikroflora und ihrer Typen, Zahl und Aktivitäten. Die Einbringung vieler verschiedener organischer Stoffe hilft ebenfalls, die Vielfalt der Mikroben zu steigern. Der Grund dafür ist, daß jedes einzelne organische Material seine ihm eigenen, einzigartigen Mikroorganismen besitzt, die den Boden nach dem Einbringen mindestens für eine begrenzte Zeitspanne zur Verfügung stehen.
Die meisten Böden sind nach ihren chemischen und physikalischen Eigenschaften klassifiziert; es wurde wenig getan, um sie nach den in ihnen lebenden Mikroorganismen einzuteilen. Der Grund dafür ist, daß ihre chemischen und physikalischen Eigenschaften besser definiert sind, als ihre mikrobiellen Eigenschaften. Geprüfte Bodenqualität ist normalerweise gekennzeichnet durch gesteigerte Durch-lässigkeit, Belüftung, Masse und organischem Gehalt und bei niedriger Massendichte, Zusammensetzung, Erosion und Oberfläche. Während dies wichtige Indikatoren für die mögliche Bodenproduktivität sind, müssen wir den biologischen Eigenschaften, (obwohl kaum bekannt) aufgrund ihrer wichtigen Beziehungen zur Pflanzenproduktion, pflanzlicher und tierischer Gesundheit, Umweltqualität, Nahrungssicherheit und -qualität, mehr Aufmerksamkeit widmen. Um die verfügbaren und vorhersehbaren biologisch/ ökologischen Indikatoren der Bodenqualität festzustellen und zu zählen, ist Forschung nötig. Mögliche Indikatoren könnten die Zahl und Zusammensetzung der verschiedenen Arten und Typen der nützlichen Mikroorganismen sein, und genauso Insekten und Tiere. Die Grundlage ist hier, nicht die Böden zur Klassifizierung der Mikroorganismen zu studieren, sondern den Landwirten die Kontrolle über die Mikroorganismen zu ermöglichen, um Wachstum, Ertrag, Fruchtbarkeit und Produktivität der Böden zu sichern. Das nächste Ziel ist es, den Bedarf an chemischen Düngemitteln und Pestiziden zu reduzieren.
Bodenmikroorganismen können in zerlegende und in synthetische Mikroorganismen eingeteilt werden. Die Zerlegenden werden unterteilt in Gruppen, die oxydativ und fermentativ zerlegen. Die Gruppe der Fermentativen ist weiter unterteilt in nützliche Fermentation (Fermentation genannt) und schädliche Fermentation (Fäulnis genannt). Die synthetischen Mikroorganismen können in Gruppen unterteilt werden, je nachdem ob sie fähig sind,
Fermentation ist ein anaerober Prozeß, in dem die diesen Prozeß beherrschenden Mikroorganismen (zB Hefen), komplexe organische Moleküle (zB Kohlehydrate) in einfache organische Bestandteile zerlegen, die oft direkt von Pflanzen aufgenommen werden können. Bei der Fermentation entsteht wenig Energie, verglichen mit der aeroben Zerlegung desselben Substrates durch die selbe Gruppe von Mikroorganismen. Aerobe Zerlegung führt zur vollständigen Oxydation eines Substrates und dem Freiwerden großer Mengen von Energie, Gas und Hitze mit den Endprodukten Kohlendioxyd und Wasser. Fäulnis ist der Prozeß, bei dem die den Prozeß beherrschenden heterotrophen Mikroorganismen Proteine anaerob zerlegen, es kommt zu schlecht riechenden und unvollständig oxydierten Stoffwechselprodukten (z.B. Ammoniak, Merkaptane), die oft giftig für Pflanzen und Tiere sind. Der Ausdruck „Synthesis" wie er hier gebraucht wird, bezieht sich auf die biosynthetische Fähigkeit bestimmter Mikroorganismen, Stoffwechselener-gie durch das Festhalten atmosphärischen Stickstoffs und/oder Kohlendioxyds zu gewinnen. In diesem Zusammenhang bezeichnen wir sie als „synthetische" Mikroorganismen und wenn sie ein vorherrschender Teil der Bodenmikroflora werden, wird der Boden als „synthetischer" Boden bezeichnet. Stickstoffhaltende Mikroorganismen sind höchst verschieden, von „freilebenden" autotrophen Bakterien der Art Azotobacter zu symbiotischen, heterotrophen Bakterien der Gattung Rhizobium und Blau-Grün-Algen (mittlerweile hauptsächlich als Blau-Grün-Bakterien klassifiziert), die alle anaerob arbeiten. Photosynthetische Mikroorganismen halten atmosphärisches Kohlendioxyd in der gleichen Art und Weise wie Grünpflanzen. Sie sind ebenfalls sehr verschieden, von Blau-Grün-Algen und Grünalgen, die Photosynthese aerob durchführen bis zu Photosynthesebakterien, die eine unvollständige Photosynthese anaerob durchführen.
Die Prozesse der Fäulnis, Fermentation und Synthese erfolgen gleichzeitig entsprecxend dem Vorkommen und der Zahl der im Boden vorkommenden Mikroorganismen. Die Auswirkung auf die Komponenten der Bodenqualität und der damit verbundenen Bodeneigenschaften werden vom vorherrschenden Prozeß bestimmt. Die Produktion von organischen Substanzen durch Mikroorganismen wird durch die Zufuhr von positiven Ionen bestimmt, während Zerlegung dazu dient, diese positiven Ionen freizugeben . Wasserstoffionen spielen eine Schlüsselrolle in diesem Prozeß. Ein Problem taucht auf, wenn Wasserstoffionen sich nicht wieder mit Sauerstoff zu Wasser verbinden, sondern dazu gebraucht werden, Schwefelsäure, Ammoniak, Merkaptane und andere Fäulnissubstanzen zu produzieren, von denen die meisten für Pflanzen giftig sind und schlecht riechen. Wenn ein Boden in der Lage ist, die überschüssigen Wasserstoffionen während Perioden von Sauerstoffabschluß zu absorbieren, und wenn synthetische Bakterien vorhanden sind, werden sie diese Fäulnissubstanzen nutzen, und nützliches Substrat aus ihnen produzieren, das hilft, einen gesunden und produktiven Boden zu erhalten. Die Photosynthesebakterien, die eine unvollständige an-aerobe Photosynthese durchführen sind höchst wünschenswerte nützliche Mikroorganismen, weil sie fähig sind, Böden durch Umwandlung von Fäulnissubstanzen, wie Schwefelsäure, zu entgiften. Dies hilft, eine effiziente Nutzung des organischen Materials zu erzielen und die Bodenfruchtbarkeit zu sichern. Photosynthese besteht aus der Spaltung von Wasser mit Hilfe des Lichtes, wobei molekularer Sauerstoff als Nebenprodukt entsteht. Daher helfen diese Mikroorganismen den Pflanzen, ihren lebenswichtigen Sauerstoffbedarf zu decken. Unerwünschte Stoffe wie Methan und Schwefelsäure entstehen dann, wenn organisches Material unter Sauerstoffabschluß zerlegt wird. Diese Stoffe sind giftig und können größtenteils die Aktivität von stickstoffhaltenden Mikroorganismen unterdrücken. Sobald jedoch synthetische Mikroorganismen im Boden vorhanden sind, tritt dies nicht unbedingt in Erscheinung. Dann können die stickstoffhaltenden Mikroorganismen, die mit photosynthetischen Bakterien im Boden zusammenleben, sogar unter Sauerstoffabschluß effektiv arbeiten. Photosynthesebakterien können nicht nur Photosynthese durchführen, sondern auch Stickstoff halten. Es wurde sogar festgestellt, daß ihre Fähigkeit, Stickstoff zu halten durch das Zusammenleben mit Azotobacter erweitert wird. Dies ist ein Beispiel für einen synthetischen Boden. Das läßt außerdem darauf schließen, daß man durch das Bekanntwerden ihrer Arbeitsweise und Zusammenarbeit bei Ausschöpfung aller ihrer Möglichkeiten, Böden in einen höheren synthetischen Zustand versetzen kann. Vielleicht ergibt sich das effektivste synthetische Bodensystem aus der Förderung von zymogenen und synthetischen Mikroorganismen; die Fermentation würde die Fäulnis überwiegen und synthetische Prozesse könnten durchgeführt werden.
Böden können entsprechend ihrer Mikroflora, die Fäulnis, Fermentation, Synthese und zymogene Reaktionen und Prozesse durchführt, eingeteilt werden. In den meisten Böden laufen diese Prozesse gleichzeitig ab, wobei sie alle zu jeder Zeit durch die Typen und Mengen der beteiligten Mikroorganismen bestimmt werden.
In diesem Bodentyp können pflanzenpathogene Mikroorganismen wie Fusarien 5 - 20 % der gesamten Mikroflora ausmachen. Wenn frisches organisches Material mit hohem Stickstoffgehalt einem solchen Boden zugefügt wird, können unvollständig oxydierte Produkte entstehen, die schlecht riechen und Pflanzen vergiften. Solche Böden neigen dazu, von Krankheitsverursachern und schädlichen Insekten befallen zu werden. Die Beigabe von frischer organischer Substanz ist daher oftmals schädlich für die Frucht. Wahrscheinlich müssen bis zu 90 % der zur Pflanzenproduktion genutzten landwirtschaftlichen Flächen als krankmachende Böden eingeordnet werden. Solche Böden haben allgemein ärmliche physikalische Eigenschaften und große Energiemengen gehen als Treibhausgase verloren. Pflanzennährstoffe werden ebenfalls in nicht verfügbare Formen umgewandelt.
Die Mikroflora dieser Böden wird normalerweise von gegensätzlichen Mikroorganismen beherrscht, die massenhaft Antibiotika produzieren. Sie schließen Pilze der Gattungen Penicillium, Trichoderma und Aspergillus sowie Aktinomyzeten der Gattung Streptomyces ein. Die Antibiotika, die sie produzieren, können biostatische und biocidale Wirkung auf in den Böden vorhandene Pathogene haben, einschließlich der Fusarien, die hier mit einem Anteil von weniger als 5 % vorkommen. Pflanzen auf diesen Böden werden selten von Krankheiten oder Insekten heimgesucht. Sogar wenn frische organische Substanz eingebracht wird, ist die Produktion von Fäulnissubstanzen sehr gering und die Erde hat einen schönen erdigen Geruch, nach dem der organische Stoff zerlegt ist. Diese Böden haben allgemein exzellente physikalische Eigenschaften. Fruchterträge dieser Böden sind oft geringfügig niedriger als die von synthetischen Böden. Höchst zufriedenstellende Erträge werden beobachtet, wenn ein Boden krankheitsunterdrückende und synthetische Mikroorganismen besitzt.
Diese Böden werden von einer Mikroflora bestimmt, die nützliche Arten der Fermentation durchführt. Der Organismus muß oder kann anaerob sein. Solche Mikroorganismen, die Fermentation produzieren, umfassen die Mikroflora von verschiedenen organischen Stoffen, zB Pflanzenrückständen, tierischem Dünger, Gründünger und Abfall einschließlich Kompost. Wenn diese Erfordernisse dem Boden beigefügt sind, steigt die Zahl und Aktivität der Fermentationen dramatisch und überwältigt die einheimische Mikroflora für einen unbestimmten Zeitraum. Solange diese Mikroorganismen vorherrschend bleiben, kann man den Boden als zymogen bezeichnen, der folgende Eigenschaften besitzt: a) schöner, fermentativer Geruch, besonders nach der Bearbeitung, b) hervorragende physikalische Bodeneigenschaften c) große Mengen anorganischer Nährstoffe, Aminosäuren, Kohlenhydrate, Vitamine und anderer bioaktiver Substanzen, die direkt oder indirekt Wachstum, Ertrag und Qualität der Frucht steigern, d) geringes Vorkommen von Fusarien, weniger als 5 %, und e) geringe Produktion an Treibhausgasen.
Diese Böden enthalten bedeutende Mengen an Mikroorganismen, die fähig sind, atmosphärischen Stickstoff und Kohlendioxyd zu halten und in komplexe Moleküle wie Aminosäuren, Proteine und Kohlenhydrate zu verwandeln. Solche Mikroorganismen schließen Photosythesebakterien ein, die eine unvollständige Photosynthese anaerob durchführen, einige Phytomyceten und Grün- und Blau-Grünalgen, die aerob arbeiten. All dies sind photosynthetische Organismen, die atmosphärischen Stickstoff halten. Wenn der Wassergehalt dieser Böden stabil ist, kann ihre Fruchtbarkeit größtenteils mit regelmäßigen geringen Gaben an organischem Material gesteigert werden. Diese Böden haben ein geringes Vorkommen an Fusarien und sie entsprechen oft dem Typ krankheitsunterdrückender Böden. Die Produktion von Gasen auf diesen Feldern ist gering. Dies ist eine vereinfachte Klassifizierung von Böden nach den vorherrschenden Typen ihrer Mikroorganismen, und ob sie möglicherweise nützlich oder schädlich für Wachstum und Ertrag der Frucht sind. Während die verschiedenen Typen hier idealisiert beschrieben wurden, können die Böden in der Natur nicht einfach definiert werden, da sie oft Merkmale des einen und anderen Typs gleichzeitig zeigen. Nichtsdestotrotz hat die Forschung gezeigt, daß krankmachende Böden in krankheitsunterdrückende, zymogene oder synthetische Böden umgewandelt werden können, wenn mit gemischten Kulturen von effektiven Mikroorganismen geimpft wird. Daher ist es nicht erstaunlich, daß der erstrebenswerte Boden für höchste landwirtschaftliche Erträge ein Boden ist, der zymogen und synthetisch ist und eine stabile krankheitsunterdrückende Fähigkeit hat. Dies ist daher der Grund für die Suche nach Wegen und Mitteln, die Mikroorganismen in landwirtschaftlichen Böden zu kontrollieren.
Die Kontrolle der Bodenmikroflora, um die Vorherrschaft von nützlichen und effektiven Mikroorganismen zu fördern, kann helfen, die chemischen und physikalischen Eigenschaften der Böden zu verbessern und zu sichern. Die richtige und regelmäßige Beigabe von organischen Materialien ist oft ein wichtiger Teil jeder Strategie, um eine solche Kontrolle durchzuführen. Einzelne Versuche, die Bodenmikroflora mit Kulturen von einzelnen nützlichen Mikroorganismen zu verbessern, waren größtenteils nicht erfolgreich. Wenn ein nützlicher Mikroorganismus isoliert, unter Laborbedingungen kultiviert und in großer Zahl wieder ausgesetzt wird, steht er sofort im Wettbewerb mit anderen, auch gegenteilig arbeitenden Mikroorganismen, und seine Zahl nimmt schnell ab. Die Wahrscheinlichkeit, das Gleichgewicht der Mikroorganismen zum Vorteil von Wachstum, Ertrag und Gesundheit der Frucht zu verschieben, ist viel größer, wenn gemischte Kulturen von nützlichen und effektiven Mikroorganismen eingebracht werden, die physiologisch und ökologisch miteinander arbeiten. Haben sich diese Kulturen verbreitet, werden ihre nützlichen Effekte oft auf eine synergistische Art verstärkt. Zur Zeit kann eine krankheitsunterdrückende Mikroflora leicht entwickelt werden, indem man bestimmte Typen von grampositiven Bakterien, die Antibiotika produzieren und einen großen Bereich von spezifischen Aufgaben und Fähigkeiten abdecken, auswählt und kultiviert; diese Organismen schließen mögliche anaerobe, feste aerobe, acidophile und alkalophile Mikroben ein. Diese Mikroben können in einem Medium aus Weizenkleie, Ölkuchen, Fischmehl etc. zu großen Populationen anwachsen und dann mit gutbehandeltem Kompost, der ebenfalls eine große und stabile Population von nützlichen Mikroorganismen hat, ausgebracht werden. Ein Boden kann zum Typ zymogen oder synthetisch umgewandelt werden, wenn man ihn mit EM behandelt und die Voraussetzungen für ihre optimale Wirkung schafft. Die gewünschten Effekte der Impfung können zumindest am Anfang etwas unterschiedlich sein. In einigen Böden kann eine einfache Impfung reichen, während in anderen Böden auch wiederholtes Impfen ineffektiv erscheinen mag. Der Grund hierfür ist, daß die eingeimpften Mikroorganismen sich an die neuen Bedingungen und die einheimischen Mikroorganismen und ihre Unterstützung durch organische Substanzen anpassen müssen. Vorausgesetzt, man führt wiederholte Gaben von EM in regelmäßigen Zeitabständen während der ersten Fruchtsaison durch, ist die Wahrscheinlichkeit hoch, daß die gewünschten Ergebnisse erzielt werden. Es gibt keine aussagekräftigen und verläßlichen Überwachungsmethoden für die Kontrolle der Mikroorganismen nach der Ausbringung in den Boden. Die gewünschte Wirkung wird erst erzielt, wenn sie sich angepaßt und die Vorherrschaft übernommen haben. Die Impfungsdichte und Zahl der Impfungen dient nur als Richtlinie, um die frühe Verbreitung zu unterstützen. Wiederholte Impfungen beeinflussen den Verbreitungsprozeß positiv. Ist die „neue" Mikroflora erst einmal eingerichtet und stabil, werden die erwarteten Wirkungen unbefristet weitergehen, und keine weitere Impfung mehr nötig sein, solange nicht organischer Dünger erforderlich ist, oder der Boden austrocknet oder überflutet wird. Letztendlich ist es sehr viel wahrscheinlicher, daß die Mikroflora des Bodens durch die Gaben von gemischten Kulturen ausgesuchter nützlicher und effektiver Mikroorganismen kontrolliert werden kann, als durch einzelne oder reine Kulturen. Wenn verschiedene Mikroorganismen mit ihren Wirkungen zusammen gute Wirkung erzielen und koexistieren können und ihre Zahl im „Impfserum" entsprechend hoch ist, werden die positiven Wirkungen nach der Ausbringung weitergehen. Wenn das so ist, ist es höchstwahrscheinlich, daß sie heimisch werden und die Vorherrschaft unter den Mikroorganismen übernehmen und so eine „neue" Bodenmikroflora bilden.
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